CN108562642B - 纵向模态超声导波的电磁换能装置、管道检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置、管道检测系统及方法。电磁超声换能装置包括两个环形磁铁阵列和一个环形螺旋线圈组。环形磁铁阵列由永磁铁和磁铁底座构成，与管道同轴布置，安装在环形螺旋线圈组的两侧，提供平行于管道轴向的静态偏置磁场；两个环形磁铁阵列中的磁铁在待检测管道圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁的极性相反，螺旋线圈组中相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长，提供平行于管道轴向的动态交变磁场；在轴向静态偏置磁场和轴向动态交变磁场共同作用下激励出纵向模态的管道超声导波。本发明可有效的在钢管中激励和接收纵向模态的超声导波，激励模态单一，信噪比高，便于实现对管道的全面检测。
Description
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，特别涉及一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置。
背景技术
超声导波检测技术具有超声波传播距离远、声波衰减率低、在短时间内能够覆盖大部分的检测范围等优点，近年来被广泛应用于管道无损检测领域。其中，轴对称的纵向模态是管道超声导波中较为常用的检测模态，其优势在于：该模态导波的传播速度在一定的频率范围内基本不受频率变化的影响，即具有良好的非频散特性；质点的振动方向与导波的传播方向均沿管道轴向，对管道的周向缺陷较为敏感；径向的振动位移较小，传播过程中能量泄露较少，故对管道长距离检测具有一定的优势。
管道超声导波检测技术主要使用压电超声换能器和电磁超声换能装置(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激励和接收纵向模态的超声导波信号。然而，压电超声换能器存在一定的不足，主要体现在：通过耦合剂与被测试件接触，往往需要对试件的表面进行打磨、清洗等预处理工作，且安装较为复杂，检测效率较低，不利于现场的快速检测。而电磁超声换能装置可直接在导体或铁磁性材料中激励超声导波信号，具有非接触、无需耦合剂、对被测件表面要求不高、重复性好、适用于高温环境、可实现快速检测等优点。
电磁超声换能装置的工作原理主要有两种：洛伦兹力机制和磁致伸缩机制。洛伦兹力机制的电磁超声换能装置可应用于所有导体材料的管道检测中，但其换能效率较低，激励的导波信号幅值和信噪比较低；而磁致伸缩机制的电磁超声换能装置只能用于铁磁性材料的管道检测中，但其换能效率较高，可以产生高幅值和高信噪比的导波信号，传播距离更远，检测范围更广。因此在钢管检测中，常使用磁致伸缩机制的电磁超声换能装置。
电磁超声换能装置主要由提供静态偏置磁场的磁铁和提供动态交变磁场的线圈组成，通过改变磁铁和线圈的结构形状，可设计出不同类型的电磁超声换能装置。现阶段，国内外在纵向模态导波的电磁超声换能装置的研究上取得了一定的进展，激励机制的研究已经较为成熟。但在工程应用中仍然存在换能器安装、拆卸不便，激励信号不理想，检测效率较低等问题，因此，优化设计已有的电磁超声换能装置或研制新型的电磁超声换能装置依旧是该领域研究的热点和难点之一。
发明内容
本发明的目的是设计一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，该电磁超声换能装置结构简单，安装便利，通过磁致伸缩机制，在永磁铁提供的轴向静态偏置磁场和线圈提供的轴向动态交变磁场的共同作用下，有效的激励出高信噪比的纵向模态导波信号，实现对管道的全面检测。
本发明的技术方案如下：
一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，包括：环形螺旋线圈组(2)，所述环形螺旋线圈组(2)包括一个或多个沿待检测管道(3)轴向间隔地布置在待检测管道(3)的外圆周上的线圈；环形磁铁阵列(1)，位于环形螺旋线圈组(2)沿待检测管道(3)的轴向的两侧，所述环形磁铁阵列(1)包括磁铁(11)和环形磁铁底座(12)，环形磁铁底座(12)同轴套设在待检测管道(3)的外圆周上，磁铁(11)沿待检测管道(3)的圆周方向安装在磁铁底座(12)上，并且，两个环形磁铁阵列(1)中的磁铁(11)在待检测管道(3)圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁(11)的极性相反。
优选地，所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为永磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。
优选地，所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为电磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。
优选地，所述永磁铁沿待检测管道(3)圆周方向均匀布置在磁铁底座(12)上。
优选地，相邻两个线圈的缠绕方向相反，且相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长。
优选地，所述线圈采用铜制导线缠绕而成，或者所述线圈采用柔性电路板印刷而成。
优选地，所述环形磁铁底座(12)内壁为与待检测管道(3)的外径尺寸相配合的内圆，外壁是一个与管道同轴的棱柱体，棱柱体的每个侧面安装一个永磁铁。
优选地，在棱柱体的每一侧面的中心上具有一个与永磁铁的形状一致的磁铁插槽，以便于将永磁铁插入并固定在磁铁插槽内。
一种管道检测系统，包含发射探头和接收探头，其中，发射探头和接收探头都包含以上所述的电磁超声换能装置，发射探头依次与功率放大器和信号发生器连接，接收探头依次与前置放大器、滤波器和示波器连接。
一种利用纵向模态超声导波检测管道的方法，应用以上所述的管道检测系统进行如下步骤：将发射探头和接收探头以一定间距安装在管道的外壁上，信号发生器产生的一定频率的信号通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出超声导波在管道中向接收探头方向传播，当超声导波遇到缺陷时会产生反射回波，被接收探头检测到的反射回波经过放大和滤波处理后，被示波器接收并显示出来。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
1)螺旋线圈组中相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长，通过改变相邻两个线圈的间距，可以激励出不同模态的纵向超声导波，如L(0,1)、L(0,2)、L(0,3)等模态；
2)螺旋线圈组可以通过缠绕导线或打印柔性电路板的方式制作，制作方式简便，成本较低；
3)环形磁铁底座可以根据管道尺寸自行设计，从而实现与管壁更好的贴合，保证了磁场的耦合效率；
4)环形磁铁底座可以根据永磁铁的形状自行设计，永磁铁的形状不受约束，可以直接安装在磁铁底座的插槽中，便于安装和拆卸；
5)采用环形磁铁底座不需要清理管体表面，直接套设在管体上即可，且环形磁铁底座使得磁铁安装方便快捷，提高检测效率；
6)采用环形磁铁底座只需要底座适应管道外径即可，不需要磁铁具有适于管道外壁的形状。
7)环形磁铁底座为多节式可拆卸的柔性体，根据管道直径调整环形磁铁底座的展开长度，使其适应不同的管道直径。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是本发明的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置的结构示意图；
图2是本发明的环形磁铁阵列的结构示意图；
图3是本发明的环形磁铁底座的结构示意图；
图4是本发明的环形螺旋线圈组的结构示意图；
图5是φ42.7×3.5×2000(单位：mm)钢管纵向模态导波的相速度频散曲线图；
图6是φ42.7×3.5×2000(单位：mm)钢管纵向模态导波的群
速度频散曲线图；
图7是电磁超声传感器检测管道缺陷的试验系统示意图；
图8是电磁超声传感器接收到的L(0,2)模态导波的波形图。
在图1至图8中：1-环形磁铁阵列；11-永磁铁；12-
环形磁铁底座；121-磁铁插槽；2-环形螺旋线圈组；3-管道；31-通孔缺陷；41-直达波；42-缺陷反射回波；43-端面反射回波。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的纵向模态超声导波的电磁超声换能装置不局限于实施例。
磁致伸缩机制是指铁磁体在外磁场中被磁化时，外形尺寸发生变化，产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发应力波，本发明的电磁超声换能装置正是应用该应力波来进行管道检测的。下面结合图1来说明本实施例的电磁超声换能装置的结构。
如图1所示，本发明所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置包括两个环形磁铁阵列1和一个环形螺旋线圈组2。环形螺旋线圈组2设置在管道3的外圆周面上，具体说，环形螺旋线圈组2包括一个或多个沿管道3轴向间隔地设置在管道3的外圆周上的线圈。两个环形磁铁阵列1分别位于环形螺旋线圈组2沿管道3的轴向的两侧。每个环形磁铁阵列1包括磁铁和环形磁铁底座12，环形磁铁底座12同轴套设在待检测管道3的外圆周上，多个磁铁沿圆周向安装在环形磁铁底座12上。其中，所述的磁铁可以采用永磁铁或电磁铁，下文中仅以永磁铁为例进行说明。永磁铁11沿管道3圆周方向均匀布置在磁铁底座12上。并且，两个环形磁铁阵列1中的永磁铁11在待检测管道3圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁的极性相反。如图1所示，左侧的环形磁铁阵列1中的永磁铁11的上表面为N极，与其相对的右侧的环形磁铁阵列1中的永磁铁11的上表面为S极。
通过以上两个环形磁铁阵列1可以提供平行于管道3轴向的静态偏置磁场。而环形螺旋线圈组2中的一个或多个线圈在通以交流电时会产生交变磁场，本发明正是通过磁致伸缩机制，在永磁铁11提供的轴向静态偏置磁场和线圈提供的轴向动态交变磁场的共同作用下，有效的激励出高信噪比的纵向模态导波信号，实现对管道3的全面检测。
在一个可选实施例中，如图3所示，所述的环形磁铁底座12内壁为与管道3的外径尺寸相配合的内圆，外壁是一个与管道3同轴的棱柱体，例如七棱柱。棱柱体的每个侧面用于安装一个永磁铁11。
进一步地，在棱柱体的每一侧面上具有一个磁铁插槽121，优选地位于侧面的中心。该磁铁插槽121的形状与永磁铁11的形状一致，以便于将永磁铁11插入并固定在磁铁插槽121内。优选地，磁铁采用永磁铁11，且选用条形永磁铁11，相应地，磁铁插槽121也为条形，多个永磁铁11沿环形磁铁底座12的环向均匀布置在环形磁铁底座12的各个侧面上。
在一个可选实施例中，所述的环形螺旋线圈组2的每个线圈都是采用铜制导线围绕管道3以一定的匝数缠绕而成。
在一个可选实施例中，可以将所述的环形螺旋线圈组2的多个线圈印制在柔性电路板上。
在一个可选实施例中，如图4所示，相邻两个线圈的缠绕方向相反，即通电后交变电流的流向相反，用于提供平行于管道轴向方向的动态交变磁场。进一步地，相邻两个线圈的间距等于所激发的纵向模态导波的半波长。
在一个可选实施例中，环形磁铁底座12为多节可拆卸式的柔性体，使得一个环形磁铁底座12可以适用于多种尺寸的管道检测。例如，环形磁铁底座12不足以完全缠绕管道3的外壁，则再添加几节；而如果环形磁铁底座12缠绕管道3的外壁后还有剩余，则将多余部分拆卸下来即可。
应用以上的电磁超声换能装置，可以形成一种管道检测系统，包含发射探头和接收探头，其中，发射探头和接收探头都包含有以上所述的电磁超声换能装置。并且，发射探头依次与功率放大器和信号发生器连接。接收探头依次与前置放大器、滤波器和示波器连接。
本发明还提供一种利用纵向模态超声导波检测管道的方法，应用包含以上所述的电磁超声换能装置的发射探头和接收探头进行如下步骤：
将发射探头和接收探头以一定间距安装在管道的外壁上，信号发生器产生的一定频率的信号通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出超声导波在管道中向接收探头方向传播，当超声导波遇到缺陷时会产生反射回波，被接收探头检测到的反射回波经过放大和滤波处理后，被示波器接收并显示出来。
在一个可选实施例中，通过改变相邻两个线圈的间距，可以激励出不同模态的纵向超声导波，例如L(0,1)、L(0,2)、L(0,3)等模态，根据频散曲线选择合适的模态作为检测波。
下面以火力发电站中使用的钢制圆管为例具体说明一个应用以上的管道检测系统进行检测的实例，该实例的电磁超声换能装置是采用永磁铁11。
该钢制圆管的规格为φ42.7×3.5×2000(单位：mm)，杨氏模量为1.96×1011Pa，密度为7.84g/cm3，泊松比为0.3。图5和图6给出了上述参数下，该钢管中纵向模态导波的频散曲线，通过频散曲线选择L(0,2)模态作为目标波型，激励频率设为100kHz，并求得该中心频率下L(0,2)模态导波的半波长为27.4mm，群速度为5160m/s。
如图2所示，所述的环形磁铁阵列1包括条形永磁铁11和磁铁底座12，如图3所示，所述的磁铁底座12内侧为直径42.7mm的内圆，与管道3的外径尺寸相配合，外侧是一个与管道3同轴的七棱柱体，永磁铁11分别安装在该七棱柱体的一个侧面上。永磁铁11的长宽高分别为14mm、10mm和12mm，极化方向为永磁铁11安装后的管道3的径向，表面磁感应强度为498.7mT，永磁铁11安装在环形磁铁底座12的磁铁插槽121中。
如图4所示，所述的环形螺旋线圈组2采用铜制导线缠绕而成，线圈直径为0.25mm，缠绕匝数为60匝。相邻两个线圈的缠绕方向相反，即通电后交变电流的流向相反，用于提供平行于管道轴向方向的动态交变磁场。进一步地，相邻两个线圈的间距等于所激发L(0,2)模态导波的半波长27.4mm。
通过上述参数设计后的纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，提供了一种使用L(0,2)模态导波检测管道缺陷的方法：
图7是该电磁超声换能装置检测管道缺陷的试验系统示意图。发射探头和接受探头均使用上述参数所设计的L(0,2)模态的电磁超声换能装置，发射探头安装在管道3的左侧端面处，接收探头和发射探头相距0.8m，通孔缺陷31是直径为15mm的圆形通孔，距离管道3的左侧端面1.3m，管道全长为2m。信号发生器产生中心频率为100kHz的5周期汉宁(hanning)波信号，通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出L(0,2)模态的超声导波在管道3中向右传播，当超声导波遇到通孔缺陷31时会产生向左传播的反射回波，反射回波被接收探头检测到，再经过前置放大器和滤波器处理后，最终被示波器接收并显示出来。
如图8所示，是接收到的超声导波信号的波形图，根据先前通过频散曲线计算得到的L(0,2)模态导波的群速度，可以分析波形图中各波包对应的导波形态，从而验证该电磁超声换能装置的可靠性和有效性。通过分析计算，可得第一个波包对应L(0,2)模态的直达波41，即发射探头产生的L(0,2)模态导波向右传播0.8m后直接被接受探头检测到的波形信号，第二个波包对应缺陷反射回波42，即L(0,2)模态导波遇到通孔缺陷31后产生的向左传播的反射回波信号，第三个波包对应端面反射回波43，即L(0,2)模态导波遇到管道3右侧端面后产生的向左传播的反射回波信号。
通过上述试验验证，证明所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置可有效的激励和接收高信噪比的纵向模态导波信号，可快速有效地对钢管中的缺陷进行定位检测。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：包括：
环形螺旋线圈组(2)，所述环形螺旋线圈组(2)包括多个沿待检测管道(3)轴向间隔地布置在待检测管道(3)的外圆周上的线圈；
环形磁铁阵列(1)，位于环形螺旋线圈组(2)沿待检测管道(3)的轴向的两侧，所述环形磁铁阵列(1)包括磁铁(11)和环形磁铁底座(12)，环形磁铁底座(12)同轴套设在待检测管道(3)的外圆周上，磁铁(11)沿待检测管道(3)的圆周方向安装在磁铁底座(12)上，并且，
两个环形磁铁阵列(1)中的磁铁(11)在待检测管道(3)圆周方向两两相对应，且相对应的磁铁(11)的极性相反，所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为永磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化，
其中，所述永磁铁沿待检测管道(3)圆周方向均匀布置在环形磁铁底座(12)上，所述环形磁铁底座(12)内壁为与待检测管道(3)的外径尺寸相配合的内圆，外壁是一个与管道同轴的棱柱体，环形磁铁底座为多节可拆卸式的柔性体，在棱柱体的每一侧面的中心上具有一个与永磁铁的形状一致的磁铁插槽，以便于将永磁铁插入并固定在磁铁插槽内，
其中，相邻两个线圈的缠绕方向相反，且相邻两个线圈的间距等于所激发纵向模态导波的半波长。
2.如权利要求1所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：所述环形磁铁阵列(1)中的磁铁为电磁铁，且沿待检测管道(3)的径向极化。
3.如权利要求1所述的一种纵向模态超声导波的电磁超声换能装置，其特征在于：所述线圈采用铜制导线缠绕而成，或者所述线圈采用柔性电路板印刷而成。
4.一种管道检测系统，包含发射探头和接收探头，其中，发射探头和接收探头都包含有权利要求1至3中任一项所述的电磁超声换能装置，发射探头依次与功率放大器和信号发生器连接，接收探头依次与前置放大器、滤波器和示波器连接。
5.一种利用纵向模态超声导波检测管道的方法，其特征在于，应用权利要求4所述的管道检测系统进行如下步骤：
将发射探头和接收探头以一定间距安装在管道的外壁上，信号发生器产生的一定频率的信号通过功率放大器放大后施加到发射探头上，激励出超声导波在管道中向接收探头方向传播，当超声导波遇到缺陷时会产生反射回波，被接收探头检测到的反射回波经过放大和滤波处理后，被示波器接收并显示出来。
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